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Dernier élément naturellement présent en quantité significative sur Terre, l'uranium est la clé de voûte de l'énergie nucléaire mondiale. Radioactif, dense, chimiquement réactif, il concentre dans sa structure atomique l'une des plus grandes puissances jamais maîtrisées par l'humanité.
L'uranium est un actinide du bloc f, le plus lourd des éléments naturellement abondants sur Terre. Sa configuration électronique [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² lui confère une chimie de coordination riche (degrés d'oxydation de +3 à +6, principalement +4 et +6). À l'état métallique, c'est un métal lourd, malléable et légèrement radioactif — moins radioactif que le radium ou le radon, mais plus lourd que le plomb ou l'or.
L'uranium naturel est constitué de trois isotopes : ²³⁸U (99,27 %), ²³⁵U (0,72 %) et ²³⁴U (0,006 %). Tous sont radioactifs — ils émettent des particules alpha (noyaux d'hélium) en se désintégrant. La demi-vie de ²³⁸U (4,47 milliards d'années, presque l'âge de la Terre) explique sa persistance dans la croûte terrestre depuis la nucléosynthèse dans les étoiles proches avant la formation du Système Solaire.
La fluorescence verte caractéristique du verre à l'uranium (Vaseline glass) sous UV est due à l'ion UO₂²⁺ (uranyle), et non à la radioactivité. L'uranium naturel irradie à ~25 μSv/h en contact — comparable à une radiographie dentaire, bien en dessous des seuils de danger immédiat. La radiotoxicité est secondaire face à la néphrotoxicité chimique du métal.
Isotope principal (99,27%). Non fissile, mais fertile : capture un neutron → ²³⁹Pu (fissile). Utilisé comme matériau de blindage (UBC), contrepoids d'avion (Boeing 747), projectiles perforants cinétiques (controverse).
0,72% naturel. Seul isotope naturellement fissile. Absorbe un neutron thermique → fission en deux fragments + 2-3 neutrons + ~200 MeV. Combustible des réacteurs à eau légère (enrichi à 3-5%). Bombe uranium (Little Boy, 64 kg, 90% ²³⁵U).
0,006% dans l'U naturel. Produit de désintégration de ²³⁸U. Activité spécifique beaucoup plus élevée que ²³⁸U. Utilisé pour la datation U-Th (coraux, spéléothèmes).
Produit par irradiation neutronique du ²³²Th (thorium). Fissile, utilisable comme combustible nucléaire. Base du cycle thorium (ITER, réacteurs AHWR). Prolifération difficile car ²³²U produit du rayonnement gamma intense.
L'enrichissement augmente la proportion de ²³⁵U au-dessus de 0,72% : ~3-5% pour les réacteurs civils, ~20% pour les réacteurs de recherche (LEU), ~90% pour les armes nucléaires (HEU). Les procédés d'enrichissement utilisés : diffusion gazeuse (ancienne), ultracentrifugation (Urenco, Rosatom), séparation laser (SILEX, en développement). L'UF₆ (hexafluorure d'uranium, gaz à 56°C) est le vecteur d'enrichissement.
La fission de l'²³⁵U est la réaction au cœur de toute l'énergie nucléaire : un neutron lent (thermique, ~0,025 eV) est absorbé par ²³⁵U, formant un ²³⁶U instable qui se scinde en deux fragments (ex : ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr), libérant 2 à 3 neutrons et ~200 MeV d'énergie. 1 kg d'²³⁵U fissionné équivaut à 2,5 millions de tonnes de charbon en énergie.
Réaction en chaîne — Simulation schématique · 1 neutron → 3 → 9 → ... (cycle auto-entretenu)
La réaction en chaîne est auto-entretenue quand la masse critique est atteinte (~52 kg d'²³⁵U pur en sphère non réfléchie, ou ~15 kg avec réflecteur de neutrons). Dans un réacteur, des barres de contrôle (hafnium, bore) absorbent l'excès de neutrons pour maintenir k=1 (criticité). Dans une bombe à fission, l'implosion force la supercriticalité (k>>1) en quelques microsecondes.
440 réacteurs dans 32 pays produisent ~10% de l'électricité mondiale (2023). REP, REB, CANDU, RBMK — différents types d'enrichissement et de modérateur. Faible empreinte carbone sur cycle de vie (12 gCO₂/kWh vs 820 pour charbon). Renaissance nucléaire en cours.
Le système U-Pb (²³⁸U → ²⁰⁶Pb, ²³⁵U → ²⁰⁷Pb) permet de dater les roches de la Terre avec précision. Âge de la Terre : 4,54 Ga (datation météorites, roches). Zircon de Jack Hills (Australie) : 4,374 Ga, la plus vieille roche terrestre.
Bombe Little Boy (Hiroshima, 6 août 1945) : 64 kg d'U enrichi à 90%, 15 kt. Uranium appauvri dans les projectiles perforants et blindages (densité 19 g/cm³, auto-affilant à l'impact). Très controversé (fragments résiduels, toxicité rénale).
Catalyseur en chimie organique (oxydation). Pigments jaunes-orangés dans les céramiques historiques (glaçures à l'U). Verre à l'uranium (Vaseline glass) — fluorescent UV. Contre-poids d'avions (avant interdiction). Blindage gamma (densité).
²³³U produit à partir du ²³²Th (réacteur hybride) serait le combustible d'une 4ème génération de réacteurs. Thorium abondant, déchets moins persistants, prolifération difficile. Recherche active en Inde (AHWR), Chine, USA (MSR).
Le combustible usé contient ~1% Pu + 0,9% U + 0,1% actinides mineurs + déchets de fission. Procédé PUREX (TBP + HNO₃) sépare U et Pu recyclables (MOX). La France retraite 96% de son combustible usé (La Hague : 1 100 t/an).
L'uranium fut découvert en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, en analysant la pechblende (uraninite UO₂). Il nomma l'élément d'après la planète Uranus, découverte 8 ans plus tôt. Sa nature réelle (oxyde d'un métal) ne fut établie qu'en 1841 par Eugène Péligot qui isola le métal pur par réduction du tétrachlorure d'uranium avec le potassium.
En 1896, Henri Becquerel découvrit la radioactivité de l'uranium par accident (noircissement de plaques photographiques à l'abri de la lumière). Marie et Pierre Curie approfondirent cette découverte, conduisant à l'identification du polonium et du radium. Otto Hahn, Fritz Strassmann et Lise Meitner découvrirent la fission nucléaire en décembre 1938 à Berlin, ouvrant la voie au Projet Manhattan (1942-1945) et à la bombe atomique.
Le réacteur Chicago Pile-1 (Enrico Fermi, 2 décembre 1942) fut la première réaction en chaîne contrôlée, utilisant 49 tonnes d'U métal et oxyde avec du graphite comme modérateur. La première puissance nucléaire civile (Obninsk, URSS, 1954 — 5 MW électriques) amorçait une révolution énergétique dont le potentiel reste immense face au changement climatique.